DE10206793A1 - Polyaminosäueren /Verfahren - Google Patents
Polyaminosäueren /VerfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft Polyaminosäuren, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung als Katalysatoren für die enantioselektive Epoxidierung von alpha,beta-ungesättigten Enonen und alpha,beta-ungesättigten Sulfonen.
Description
- Die Erfindung betrifft Polyaminosäuren, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung als Katalysatoren für die enantioselektive Epoxidierung von α,β- ungesättigten Enonen und α,β-ungesättigten Sulfonen.
- Chiral, nicht-racemische Epoxide sind wertvolle Bausteine für die Herstellung von optisch aktiven Wirkstoffen und Materialien (z. B. a) Bioorg. Med. Chem., 1999, 7, 2145-2156; b) Tetrahedron Lett., 1999, 40, 5421-5424). Die größte Aufmerksamkeit wurde in der Literatur der Epoxidierungsmethode von Juliá und Colonna gewidmet, die zeigen konnten, dass enantiomeren- und diastereomerenangereicherte Polyaminosäuren (PAS) in Gegenwart von wässriger Wasserstoffperoxid- und NaOH-Lösung sowie eines Aromaten bzw. halogenierten Kohlenwasserstoffs als Lösungsmittel in der Lage sind, die enantioselektive Epoxidierung von α,β-ungesättigten Enonen zu katalysieren (Angew., Chem., Int. Ed. Eng., 1980, 19, 929-930).
- Für die Herstellung von Polyaminosäuren wurden verschiedene Verfahren beschrieben (z. B. Adcances in Protein Chemistry, 1958, 13, 243-492; Russ. Chem. Rev., 1965, 34, 329; Comprehensive Chemical Kinetics, 1976, 15, 583-637). Die meisten Verfahren nutzen das Prinzip der statistischen Polymerisation, bei der die N-Carboxyanhydride (NCA) der entsprechenden Aminosäuren mit einem Initiator (z. B. Amine, Wasser, Alkohole und Alkoholate) in einem inerten Lösungsmittel (z. B. Acetonitril, Dioxan, THF, Benzol) umgesetzt werden. Hierbei wird eine Mischung aus Polyaminosäuren mit verschiedenen Kettenlängen erhalten, als Hautprodukt wird eine Polyaminosäure mit der Kettenlänge angenommen, die sich aus dem molekularen Verhältnis zwischen NCA und Initiator errechnet. Die Polymerisationen werden meist bei Raumtemperatur ausgeführt. Beispiele für die Polymerisationen von NCAs bei erhöhter Temperatur sind hingegen selten. So wurden beispielsweise hochmolekulare Filme und Fasern durch die Polymerisation von L-Alanin-NCA (ohne expliziten Initiatorzusatz) oder durch die Polymerisation von L-Leucin-NCA (Luftfeuchtigkeit als Initiator) mit in siedendem Benzol hergestellt (DuPont, 1957, US 2,789,973). Die Reaktionszeiten wurden mit 1-10 Tagen angegeben. Analog hierzu wurden auch von Ebert et al. die Herstellung von sehr hochmolekularen Polyaminosäuren beschrieben. Hierbei wurde durch Polymerisation in Benzol (70°C, ohne expliziten Initiatorzusatz) beispielsweise Poly-L-Leucin mit einem mittleren Molgewicht von 400000 g/mol hergestellt und bezüglich seiner Eigenschaften hinsichtlich der Herstellung von Fasern und Folien untersucht (Progr. Colloid & Polymer Sci, 1976, 60, 183-193).
- Auch für die Herstellung der benötigten N-Carboxyanhydride existieren eine Reihe von literaturbekannten Vorschriften (z. B. Rec. Trav. Chim. Pays-Bas, 1954, 73, 347).
- Bei der Juliá-Colonna-Epoxidierung können jedoch nur bestimmte Polyaminosäuren als Katalysator verwendet werden, da die erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit und der mögliche Enantiomerenüberschuß (ee) sehr stark von der verwendeten Polyaminosäure und der Art ihrer Herstellung abhängen (z. B. Bioorg. Med. Chem., 1999, 7, 2145-2156, Tetrahedron, 1984, 40, 5207-5211; Chirality, 1997, 9, 198-202). Im allgemeinen werden Polyaminosäuren mit einem mittleren Molgewicht von < 15000 g/mol verwendet. Die katalytische Aktivität der Polyaminosäure hängt auch in hohem Maße von der vorliegenden Konformation der Polyaminosäure ab, die wiederum von der Herstellungsmethode entscheidend beeinflusst wird (z. B. Bull. Chem. Soc. Jpn., 2000, 73, 2115-2121; J. Org. Chem., 1993, 58, 6247-6254, Org. Lett., 2001, 3,683-686; ibit 2001, 3, 3839-3842). Meist werden heute bei der Juliá- Colonna-Epoxidierung D- oder L-Polyleucin als Katalysatoren verwendet. Andere Polyaminosäuren die mit Erfolg verwendet wurden sind beispielsweise D- bzw. L- Neopentylglycin (EP-A 1 006 127) oder D- oder L-Alanin.
- Juliá fand heraus, dass durch Polymerisation von Alanin-NCA mit n-Butylamin eine Polyaminosäure erhalten werden kann, welche in der Lage ist, die enantioselektive Epoxidierung von Enonen zu katalysieren (Angew., Chem., Int. Ed. Eng., 1980, 19, 929-930). Die Reaktion wurde bei Raumtemperatur in Acetonitril geführt und erfolgte innerhalb von 4 Tagen. Nach einer Filtration des Polymers und einer Wäsche mit Ether konnte das Polymer in die Epoxidierung eingesetzt werden. Diese Vorschrift wurde von Juliá und Colonna mehrfach variiert (z. B. J. Chem. Soc., Perkin 1, 1982, 1317; Tetrahedron, 1983, 39, 1635; Tetrahedron, 1984, 40, 5207-5211), die bei Raumtemperatur ausgeführten Polymerisationen benötigten jedoch eine sehr lange Reaktionszeit. Ein weiterer deutlicher Nachteil des Verfahrens nach Juliá und Colonna war die schwierige Polymeraufarbeitung. Durch die Verwendung eines aminofunktionalisierten Polymers (Polystyrol) als Initiator konnten ähnlich aktive Polymere hergestellt werden, welche jedoch leichter handhabbar waren (J. Org. Chem., 1990, 55, 6047-6049). Die Polymerisation erfolgte nach dieser Vorschrift in Tetrahydrofuran bei Raumtemperatur über 40 h. Eine andere Vorschrift zur Herstellung von Polyaminosäuren (insbesondere Poly-L-Leucin, pLL) wurde von Ajinomoto Co., Inc., patentiert (JP 74 38,995) und von Flisak et al. in der Synthese von SK&F104353 genutzt (J. Org. Chem., 1993, 58, 6247-6254). Nach diesem Verfahren wurde N-Carboxyanhydrid im festen Zustand bei Raumtemperatur mit Luftfeuchtigkeit polymerisiert (5-10 Tage). Für eine gute katalytische Aktivität des Materials ist eine sehr hohe Reinheit des verwendeten N-Carboxyanhydrids zwingend notwendig. Die hohe Reinheit des hergestellten N-Carboxyanhydrids spielt auch bei der Methode nach Bentley et al. eine entscheidende Rolle (Chirality, 1997, 9, 198-202). Als Lösungsmittel für die Polymerisation wird auch hier THF beschrieben (Raumtemperatur, 3 Tage Reaktionszeit).
- Neben der statistischen Polymerisation wurden auch Polyaminosäuren durch aufwendige, schrittweise Polymerisation in einem Peptidsynthesiser (unter Verwendung von Schutzgruppentechnik) bereitgestellt (z. B. Bull. Chem. Soc. Jpn., 2000, 73, 2115-2121; Tetrahedron Lett., 1998, 39, 9297-9300; WO-A-0194327).
- Des weiteren wurden Polyaminosäuren für die Juliá-Colonna-Epoxidierung durch Polymerisation von N-Carboxyanhydriden mit aminosubstituierten Polyethylenglycolen hergestellt (z. B. WO-A-0194327). Auch hierbei werden lange Polymerisationszeiten benötigt (mehrere Tage).
- Um die katalytische Aktivität von unterschiedlichen Polyaminosäurepräparationen zu vergleichen, wird zur Entwicklung und Beschreibung neuer Methoden in der Literatur ein Standardstestsystem mit einer Polyaminosäure als Katalysator und trans-Chalkon als Edukt verwendet. Aus der Reaktionsgeschwindigkeit und dem erhaltenen Enantiomerüberschuss (ee) kann die Qualität der Polyaminosäurepräparation abgeleitet werden.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Katalysatoren sowie Verfahren zur Herstellung der Katalysatoren bereitzustellen, die die vorstehend genannten Nachteile bei der enantioselektiven Epoxidwirkung von α,β-ungesättigten Ketonen und α,β-ungesättigten Sulfonen nicht aufweisen. Von Bedeutung ist insbesondere eine einfache und reproduzierbare Herstellung der Katalysatoren. Von Bedeutung ist weiter eine hohe Aktivität, Stabilität, Raum-Zeit-Ausbeuten und Selektivität der Katalysatoren.
- Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass durch Umsetzung von Aminosäure- N-Carboxyanhydrid (Aminosäure-NGA) in aromatischen Lösungsmitteln, bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart eines Initiators ein geeigneter Katalysator erhältlich ist.
- Beispielhaft kann die Herstellung des Katalysators durch folgendes Reaktionsschema dargestellt werden.
- Die Herstellungszeiten des Katalysators können von Tagen auf wenige Stunden reduziert werden. Besonders überraschend wurde gefunden, dass der so hergestellte Katalysator eine wesentlich höhere katalytische Aktivität aufweist als Katalysatorpräparationen, die nach den bisher publizierten Verfahren hergestellt wurden. Darüber hinaus kann so der Katalysator in reproduzierbarer Qualität hergestellt werden.
- Der Einfluss der Herstellungsweise auf die Aktivität des Katalysators wurde mit Hilfe der Standard-Testreaktion, die Polyaminosäure-katalysierte Epoxidierung von trans-Chalkon zu Epoxychalkon, belegt (dreiphasige Bedingung; vgl. Herstellungsbeispiele). Schema 1 Standard-Testreaktion (dreiphasige-Bedingungen)
- Als aromatische Lösungsmittel sind unsubstituierte, alkylierte, halogenierte und nitrierte Benzolderivate geeignet. Hervorzuheben sind Benzol; Nitrobenzol, Alkylbenzole wie Toluol, o-, m-, p-Xylol, Tetrahydronaphthalin; Halogenbenzole wie Chlor- und Dichlorbenzol.
- Besonders hervorzuheben sind Benzol, Toluol, Nitrobenzol und Chlorbenzol. Ganz besonders hervorzuheben ist Toluol.
- Gegebenenfalls können Lösungsmittelgemische verwendet werden.
- Bevorzugt sind Lösungsmittel, in denen Edukt und Initiator unter den Reaktionsbedingungen löslich sind.
- Die bekannten Aminosäure-NCA's können als Ausgangsmaterial für die Katalysatorherstellung verwendet werden. Insbesondere kommen die in der vorstehenden Literatur für die Juliá-Colonna-Epoxidierung beschriebenen Aminosäure-NCA's in Frage. Besonders bevorzugt sind D- bzw. L-Leucin-NCA, D- bzw. L-Alanin-NCA und D- bzw. L-Neopentylglycin-NCA. Ganz besonders bevorzugt ist D- bzw. L-Leucin-NCA.
- Die Herstellung der Aminosäure-NCA's ist bekannt bzw. kann analog zu bekannten Verfahren erfolgen.
- Die Anfangskonzentration der Aminosäure-NCA's kann in einem breiten Bereich variiert werden. Im allgemeinen werden 0,5 bis 25 Massen-%, bevorzugt 1 bis 10 Massen-% und besonders bevorzugt 1 bis 5 Massen-% Aminosäure-NCA im Reaktionsgemisch verwendet.
- Als Initiatoren können die bekannten Initiatoren verwendet werden. Insbesondere ein- und mehrwertige Alkohole, bzw. deren Salze, sowie ein- und mehrwertige Amine können verwendet werden.
- Besonders geeignet sind folgende Amine: 1,3-Diaminopropan, CLAMPS, n-Butylamin, amin-substituiertes PEG.
- Das molare Verhältnis von Aminosäure-NCA zu Äquivalent Initiator kann in einem breiten Bereich variiert werden und liegt zwischen 4 : 1 und 200 : 1. Bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen 4 : 1 und 100 : 1; besonders bevorzugt zwischen 4 : 1 und 50 : 1, ganz besonders bevorzugt zwischen 10 : 1 und 40 : 1.
- Das Verhältnis variiert in Abhängigkeit vom verwendeten Initiator.
- Die durchschnittliche Kettenlänge wird durch das Verhältnis von Aminosäure-NCA zu Initiator bestimmt.
- Die Reaktionstemperatur kann in einem breiten Bereich variiert werden und liegt zwischen 30°C und dem Siedepunkt der Reaktionsmischung. Bevorzugt liegt die Reaktionstemperatur zwischen 50°C und der Siedetemperatur der Reaktionsmischung, besonders bevorzugt zwischen 80°C und 110°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 90°C bis 110°C.
- Die Reaktionstemperatur kann im Reaktionsverlauf variiert werden. Bevorzugt erfolgt eine Temperaturerhöhung nach dem Start der Reaktion.
- Der Reaktionsdruck kann in einem breiten Bereich variiert werden und liegt zwischen 0,5 und 5 bar, bevorzugt zwischen 0,9 und 1,5 bar, besonders bevorzugt bei Normaldruck.
- Im folgenden wird die erfindungsgemäße Verwendung des Katalysator in Epoxidierungsreaktionen erläutert.
- Unter Epoxidierungsreaktion wird die Umsetzung von α,β-ungesättigten Enonen oder α,β-ungesättigten Sulfonen zu den entsprechenden Epoxiden verstanden.
- Als α,β-ungesättigte Enone oder α,β-ungesättigte Sulfone können Verbindungen der allgemeinen Formel (II) eingesetzt werden
worin
X für (C=O) oder (SO2) steht und
R5 und R6 gleich oder verschieden sind und (C1-C18)-Alkyl, (C2-C18)-Alkenyl, (C2-C18)-Alkinyl, (C3-C8)-Cycloalkyl, (C6-C18)-Aryl, (C7-C19)-Aralkyl, (C1-C18)-Heteroaryl oder (C2-C19)-Heteroaralkyl bedeuten,
wobei die für R5 und R6 genannten Reste einfach oder mehrfach mit gleichen oder verschiedenen Resten R7, Halogen, NO2, NR7R8, PO0-3R7R8, SO0-3R7, OR7, CO2R7, CONHR7 oder COR7 substituiert sein können und gegebenenfalls eine oder mehrere CH2-Gruppen in den Resten R5 und R6 durch O, SO0-2, NR7 oder PO0-2R7 substituiert sind,
wobei R7 und R8 gleich oder verschieden sind und H, (C1-C18)-Alkyl, (C2- C18)-Alkenyl, (C2-C18)-Alkinyl, (C3-C8)-Cycloalkyl, (C6-C18)- Aryl, (C1-C18)-Heteroaryl, (C1-C8)-Alkyl-(C6-C8)-Aryl, (C1-C8)- Alkyl-(C1-C19)-Heteroaryl, (C1-C8)-Alkyl-(C3-C8)-Cycloalkyl bedeuten und diese Reste R7 und R8 einfach oder mehrfach mit gleichen oder verschiedenen Halogenresten substituiert sein können. - Unter einem (C1-C18)-Alkylrest wird im Rahmen der Erfindung ein Rest mit 1 bis 18 gesättigten C-Atomen verstanden, der beliebige Verzweigungen aufweisen kann. Insbesondere sind unter dieser Gruppe die Reste Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, Isobutyl, sec-Butyl, tert-Butyl, Pentyl und Hexyl subsumierbar.
- Ein (C2-C18)-Alkenylrest weist die für den (C1-C18)-Alkylrest genannten Merkmale auf, wobei innerhalb des Restes mindestens eine Doppelbindung vorhanden sein muss.
- Ein (C2-C18)-Alkinylrest weist die für den (C1-C18)-Alkylrest genannten Merkmale auf, wobei innerhalb des Restes mindestens eine Dreifachbindung vorhanden sein muss.
- Unter einem (C3-C8)-Cycloalkylrest wird ein cylischer Alkylrest mit 3 bis 8 C- Atomen und gegebenenfalls beliebiger Verzweigung verstanden. Insbesondere zählen hierzu Reste wie Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl und Cycloheptyl. In diesem Rest kann eine oder mehrere Doppelbindungen vorhanden sein.
- Unter einem (C6-C18)-Arylrest wird ein aromatischer Rest mit 6 bis 18 C-Atomen verstanden. Insbesondere zählen hierzu Reste wie Phenyl-, Naphthyl-, Anthryl- und Phenanthryl.
- Unter einem (C7-C19)-Aralkylrest wird ein über einen (C1-C8)-Alkylrest an das Molekül gebundener (C6-C18)-Arylrest verstanden.
- Ein (C1-C18)-Heteroarylrest bezeichnet im Rahmen der Erfindung ein fünf-, sechs- oder siebengliedriges aromatisches Ringsystem mit 1 bis 18 C-Atomen, welches ein oder mehrere Heteroatome, bevorzugt N, O oder S im Ring aufweist. Zu diesen Heteroarylresten zählen z. B. 1-, 2-, 3-Furyl, 1-, 2-, 3-Pyrrol, 1-, 2-, 3-Thienyl, 2-, 3-, 4-Pyridyl, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-Indolyl, 3-, 4-, 5-Pyrazolyl, 2-, 4-, 5-Imidazolyl, 1-, 3-, 4-, 5-Triazolyl, 1-, 4-, 5-Tetrazolyl, Acridinyl, Chinolinyl, Phenanthridinyl, 2-, 4-, 5-, 6-Pyrimidinyl und 4-, 5-, 6-, 7-(1-Aza)-indolizinyl.
- Unter einem (C2-C19)-Heteroaralkylrest wird ein dem (C7-C19)-Aralkylrest entsprechendes heteroaromatisches System verstanden.
- Unter Halogen oder auch Hal versteht man im Kontext dieser Erfindung Fluor, Chlor, Brom und Iod.
- Die Menge der eingesetzten Polyaminosäure ist nicht kritisch und liegt üblicherweise im Bereich von 0.001-40 mol-%, bevorzugt im Bereich von 0,01-20 mol-%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,01-10 mol-%, jeweils bezogen auf das eingesetzte α,β-ungesättigte Enon oder α,β-ungesättigte Sulfon.
- (leu)33-NH-(CH2)3-NH-(leu)33 (statistische Mischung, durchschnittliche Kettenlänge angegeben): Unter Argon wurden 38.0 g L-Leucin-NCA in einem 2 l Zweihalskolben mit aufgesetztem Rückflusskühler (verschlossen mit einem Siliconöl-gefüllten Blasenzähler) und mechanischem Rührwerk vorgelegt und in 970 ml wasserfreiem Toluol gelöst. Zu der schnell gerührten Lösung wurden bei Raumtemperatur 0.272 g 1.3-Diaminopropan (frisch von CaH2 abdestilliert) in 20 ml wasserfreiem Toluol zugegeben. Nach Abklingen der initial starken Gas-Entwicklung wurde die Reaktionsmischung langsam zum Rückfluss erwärmt und für 16 h bei dieser Temperatur gehalten. Die Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und αnschließend abzentrifugiert. Das so isolierte Polymer wurde unter reduziertem Druck getrocknet (50°C-60°C, ca. 15 mbar). Zum Abschluss wurde das Polymer in einer Reibschale pulverisiert und nochmals unter reduziertem Druck über P2O5 getrocknet. Ausbeute: 25.4 g
- Unter Argon wurden 38 g L-Leucin-NCA in einem 2 l Zweihalskolben mit aufgesetztem Rückflusskühler (verschlossen mit einem Siliconöl-gefüllten Blasenzähler) und magnetischem Rührer vorgelegt und in 970 ml wasserfreiem Tetrahydrouran (THF) gelöst. Zu der schnell gerührten Lösung wurden bei Raumtemperatur 0.272 g 1.3-Diaminopropan (frisch von CaH2 abdestilliert) in 20 ml wasserfreiem THF zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde für 5 Tage bei Raumtemperatur gerührt (ca. 400-500 U/min). Nach beendeter Reaktionszeit erfolgte die Aufarbeitung analog der unter a) beschriebenen Vorschrift. Ausbeute: 24.9 g.
- Der Verlauf der Epoxidierungen wurde mit HPLC bzw. DC überwacht, Licht wurde während der Epoxidierungen ausgeschlossen. Analytische Proben wurden vor den HPLC-Messungen durch einen Membranfilter filtriert.
- 100 mg p11 (nicht voraktiviert) wurden in einer Mischung aus 0.8 ml Toluol, 0.2 ml NaOH (5 M, 4.2 eq.) und 0.2 ml H2O2 (30%, aq.) suspendiert. Diese Mischung wurde für 6 h mit ca. 1250 U/min gerührt. Anschließend wurden 0.24 mmol trans-Chalkon und weitere 0.5 ml H2O2 (30%, aq., Gesamt = 28.5 eq.) zugesetzt. Nach beendeter Reaktion (bzw. einer gewählten Reaktionszeit) wurde die Reaktionsmischung mit 2 ml EtOAc verdünnt und αnschließend zentrifugiert. Der Überstand wurde dann langsam in eine gerührte, eiskalte wässrige NaHSO3 Lösung eingetragen (4 ml, 20%). Nach der Phasentrennung wurde die organische Phase getrocknet (Na2SO4) und unter reduziertem Druck eingeengt.
Claims (3)
1. Polyaminosäuren, erhältlich durch ein Verfahren umfassend die Umsetzung
von Aminosäure-N-Carboxyanhydriden, dadurch gekennzeichnet, dass
a) ein aromatisches Lösungsmittel verwendet wird;
b) die Reaktionstemperatur zwischen 30°C und Siedetemperatur des
Reaktionsgemisches liegt und
c) das molare Verhältnis von Aminosäure-NCA zu Initiator zwischen 4 : 1
und 200 : 1 liegt.
2. Verfahren zur Herstellung von Polyaminosäuren umfassend die Umsetzung
von Aminosäure-N-Carboxyanhydriden mit Initiatoren, dadurch
gekennzeichnet, dass
a) ein aromatisches Lösungsmittel verwendet wird;
b) die Reaktionstemperatur zwischen 30°C und Siedetemperatur des
Reaktionsgemisches liegt und
c) das molare Verhältnis von Aminosäure-NCA zu Initiator zwischen 4 : 1
und 200 : 1 liegt.
3. Verwendung von Polyaminosäuren nach Anspruch 1 als Katalysatoren in
Epoxidierungsreaktionen.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BAYER CHEMICALS AG, 51373 LEVERKUSEN, DE |
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |